DE102013107241A1 - Conducting salt for metal-air batteries - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeicher, umfassend ein Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, sowie deren Verwendung als Leitsalz in Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeichern, insbesondere in Lithium-Luft- oder Lithium-Sauerstoff-Akkumulatoren oder -Batterien.The invention relates to a metal-air or metal-oxygen energy store comprising a metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2, 2-tetrafluoro-ethanesulfonate, and their use as conductive salt in metal-air or metal-oxygen energy storage, especially in lithium-air or lithium-oxygen batteries or batteries.
Description
Die Erfindung betrifft ein Leitsalz sowie einen Elektrolyten für Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Batterien.The invention relates to a conductive salt and an electrolyte for metal-air or metal-oxygen batteries.
In jüngster Zeit konzentriert sich die Forschung auf dem Gebiet der Energiespeicherung und -umwandlung auf Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Systeme. Das Arbeitsprinzip der Metall-Luft- oder Sauerstoff-Batterien basiert auf dem Lösen von Metallionen aus einer negativen Metallelektrode, gefolgt von deren Transport durch einen Elektrolyten zu einer positiven Gasdiffusionselektrode (GDE), während Elektronen über einen äußeren elektrischen Kreislauf zur positiven Elektrode transportiert werden. An der positiven Elektrode werden die Metallionen nicht interkaliert wie beispielsweise bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien, sondern reagieren mit Sauerstoff. Für Lithium-Luft- oder Sauerstoff-Batterien kann eine vereinfachte elektrochemische Entladereaktion zu Li2O2 folgendermaßen beschrieben werden:
Derartige Systeme bieten gegenüber herkömmlichen Energiespeichern und -wandlern auf Lithium-Ionen-Basis den Vorteil, dass das Kathoden-Aktivmaterial wie Sauerstoff nicht in der Kathode selbst gespeichert werden muss, sondern aus der Luft zugeführt wird, woraus höhere Energiedichten resultieren. Beispielsweise weisen Lithium-Luft-Batterien gegenüber herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien eine mehr als zehnfach höhere theoretische spezifische Energie auf, die vergleichbar mit herkömmlichen Kraftstoffen ist. Trotz des hohen theoretischen Leistungsvermögens dieser Systeme erhält man in der Praxis geringere Werte.Such systems offer the advantage over conventional lithium-ion based energy stores and converters that the cathode active material such as oxygen does not have to be stored in the cathode itself, but is supplied from the air, resulting in higher energy densities. For example, lithium-air batteries have more than ten times higher theoretical specific energy than conventional lithium-ion batteries, comparable to conventional fuels. Despite the high theoretical performance of these systems, in practice, lower values are obtained.
Dies liegt insbesondere an Einschränkungen des Elektrolyten in der Zelle. Die Beschränkungen umfassen unter anderem die herabgesetzte Stabilität des Elektrolyten gegen reduzierte Zwischenprodukte, die in der Zelle während elektrochemischer Reaktionen mit Sauerstoff gebildet werden, als auch die Stabilität gegenüber der Kathode, Anode und anderer Zellkomponenten.This is due in particular to restrictions of the electrolyte in the cell. The limitations include, among other things, the decreased stability of the electrolyte to reduced intermediates formed in the cell during electrochemical reactions with oxygen, as well as stability to the cathode, anode, and other cell components.
Derzeit wird in Lithium-Luft- oder Sauerstoff-Systemen Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) als Leitsalz verwendet. Lithiumhexafluorophosphat weist jedoch erhebliche Nachteile aufgrund seiner Hydrolyseempfindlichkeit und mangelnden Stabilität gegenüber O2 – und Li2O2 auf. Weiterhin werden LiCF3SO3 (Lithiumtrifluoromethansulfonat, LiTf) und LiN(CF3SO2)2 (Lithium bis(trifluoromethansulfonyl)imid, LiTFSI) verwendet, die jedoch die Auflösung der üblicherweise verwendeten Aluminium-Stromsammler begünstigen. Dieses Phänomen wird als Aluminium-Korrosion bezeichnet.Currently lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is used as the conductive salt in lithium-air or oxygen systems. However, lithium hexafluorophosphate has significant disadvantages due to its sensitivity to hydrolysis and lack of stability to O 2 - and Li 2 O 2 . Furthermore, LiCF 3 SO 3 (Lithiumtrifluoromethansulfonat, LiTf) and LiN (CF 3 SO 2 ) 2 (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide, LiTFSI) are used, but favor the dissolution of the commonly used aluminum current collector. This phenomenon is called aluminum corrosion.
Um das Potential der Technologie auszunutzen bedarf es geeigneter Elektrolyte. Da es sich um ein offenes System handelt, unterscheiden sich die Anforderungen an Elektrolyte für Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Systeme von denen für Lithium-Ionen-Systeme. Die Anforderungen an einen Elektrolyten für Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Systeme umfassen nicht nur ein weites elektrochemisches Stabilitätsfenster, eine hohe ionische Leitfähigkeit und Stabilität gegenüber der Metall-Anode und Aluminium-Stromsammlern, sondern insbesondere auch eine Stabilität gegenüber Sauerstoff und reduzierten Formen des Sauerstoffs.In order to exploit the potential of the technology, suitable electrolytes are required. Because it is an open system, the requirements for electrolytes for metal-air or metal-oxygen systems differ from those for lithium-ion systems. The requirements of an electrolyte for metal-air or metal-oxygen systems include not only a wide electrochemical stability window, high ionic conductivity and stability against the metal anode and aluminum current collectors, but in particular also stability to oxygen and reduced forms of oxygen.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verbindung zur Verfügung zu stellen, die mindestens einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine als Leitsalz für Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Batterien geeignete Verbindung zur Verfügung zu stellen.The present invention was therefore based on the object to provide a compound which overcomes at least one of the aforementioned disadvantages of the prior art. In particular, the object of the present invention was to provide a compound suitable as conductive salt for metal-air or metal-oxygen batteries.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeicher, umfassend ein Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz.This object is achieved by a metal-air or metal-oxygen energy storage, comprising a metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethanesulfonate salt.
Weitere Gegenstände der Erfindung betreffen einen Elektrolyten für einen Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeicher umfassend ein Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz als Elektrolyt-Salz und ein Lösungsmittel, sowie die Verwendung eines Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salzes in Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeichern.Further objects of the invention relate to an electrolyte for a metal-air or metal-oxygen energy storage comprising a metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethanesulfonate salt as the electrolyte salt and a solvent, and the Use of a metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salt in metal-air or metal-oxygen energy stores.
Überraschend wurde gefunden, dass Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salze in Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Systemen verwendbar sind. Die Metallsalze basierend auf 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Anionen (FEES–-Anionen) zeigen eine hohe ionische Leitfähigkeit und ein weites elektrochemisches Stabilitätsfenster. Von Vorteil ist weiterhin, dass die Metall-Salze basierend auf 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat Anionen nicht die Auflösung von Aluminium, das üblicherweise als Stromsammler verwendet wird, fördern. Darüber hinaus liegt ein weiterer Vorteil der Metall-Salze basierend auf 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat in einer geringen Hydrolyseempfindlichkeit. Von besonderem Vorteil ist jedoch eine überraschend gefundene hohe Beständigkeit gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs wie O2 – oder Superoxid sowie eine hohe Stabilität in Gegenwart von Metalloxiden.Surprisingly, it has been found that metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salts are useful in metal-air or metal-oxygen systems. The metal salts based on 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate anions (FEES - anions) show a high ionic conductivity and a wide electrochemical stability window. It is furthermore advantageous that the metal salts based on 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate anions do not promote the dissolution of aluminum, which is usually used as a current collector. In addition, another advantage of the metal salts based on 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate is a low sensitivity to hydrolysis. Of particular advantage, however, is a surprisingly found high resistance to reduced forms of oxygen such as O 2 - or Superoxide and a high stability in the presence of metal oxides.
Die Begriffe „Metall-Luft-Energiespeicher” und „Metall-Sauerstoff-Energiespeicher” umfassen im Sinne der vorliegenden Erfindung Systeme, die auf einer Reaktion mit Sauerstoff beruhen. Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Systeme umfassen eine negative Metallelektrode und eine positive Gasdiffusionselektrode (GDE), die oftmals auch als „Luft-Kathode” bezeichnet wird. Die elektrochemische Reaktion an der Kathode umfasst dabei eine Reaktion mit Sauerstoff. Dieser wird üblicherweise über die Umgebungsluft zugeführt oder kann in Form von Sauerstoffgas zugeführt werden.The terms "metal-air energy storage" and "metal-oxygen energy storage" in the context of the present invention include systems based on a reaction with oxygen. Metal-air and metal-oxygen systems include a negative metal electrode and a positive gas diffusion electrode (GDE), often referred to as an "air cathode". The electrochemical reaction at the cathode comprises a reaction with oxygen. This is usually supplied via the ambient air or can be supplied in the form of oxygen gas.
Der Begriff „Energiespeicher” umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung primäre und sekundäre elektrochemische Energiespeichervorrichtung, also Batterien (Primärspeicher) und Akkumulatoren (Sekundärspeicher). Im allgemeinen Sprachgebrauch werden jedoch Akkumulatoren häufig ebenfalls mit dem vielfach als Oberbegriff verwendeten Terminus Batterie bezeichnet. So wird der Begriff Lithium-Luft-Batterie synonym zu Lithium-Luft-Akkumulator verwendet. Insofern kann der Begriff „Lithium-Luft-Batterie” vorliegend ebenfalls einen „Lithium-Luft-Akkumulator” bezeichnen. Darüber hinaus ist das Konzept der Lithium-Luft-Batterie und des Lithium-Luft-Akkus ähnlich bzw. identisch mit dem Konzept der Lithium-Sauerstoff-Batterie und des Lithium-Sauerstoff-Akkumulators. Daher werden diese Systeme allgemein unter dem Begriff „Metall-Luft-Batterie” verstanden.The term "energy storage" in the context of the present invention comprises primary and secondary electrochemical energy storage device, ie batteries (primary storage) and accumulators (secondary storage). However, in common usage, accumulators are often also referred to by the term battery often used as a generic term. Thus, the term lithium-air battery is used synonymously with lithium-air battery. In this respect, the term "lithium-air battery" in the present case also refer to a "lithium-air battery". In addition, the concept of the lithium-air battery and the lithium-air battery is similar or identical to the concept of the lithium-oxygen battery and the lithium-oxygen battery. Therefore, these systems are generally understood by the term "metal-air battery".
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Energiespeicher ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithium-, Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Zink- und/oder Eisen-Luft- oder Sauerstoff-Akkumulatoren oder -Batterien. Gegenüber den klassischen Blei-Säure-, Nickel-Cadmium- und Lithium-Ionen-Systemen weisen die Luft-Systeme wie Zink-Luft eine Verbesserung der spezifischen Energie auf. Neben Zink- sind insbesondere Lithium- oder Natrium-Luft- oder Sauerstoff-Akkumulatoren und -Batterien von kommerziellem Interesse.In preferred embodiments, the energy store is selected from the group comprising lithium, sodium, magnesium, aluminum, zinc and / or iron-air or oxygen storage batteries or batteries. Compared to the classic lead-acid, nickel-cadmium and lithium-ion systems, air systems such as zinc-air show an improvement in specific energy. In addition to zinc, in particular lithium or sodium air or oxygen storage batteries and batteries are of commercial interest.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Energiespeicher ein Lithium-Luft- oder Lithium-Sauerstoff-Akkumulator oder eine Lithium-Luft- oder Lithium-Sauerstoff-Batterie. In vorteilhafter Weise ist das Leistungsvermögen des Lithium-Luft-Systems mit dem von Benzin vergleichbar.In a particularly preferred embodiment, the energy store is a lithium-air or lithium-oxygen battery or a lithium-air or lithium-oxygen battery. Advantageously, the performance of the lithium-air system is comparable to that of gasoline.
In elektrochemische Energiespeichern wie Metall-Luft-Batterien wird der Ladungstransport durch einen Elektrolyten besorgt. Ein flüssiger Elektrolyt enthält ein in einem Lösungsmittel gelöstes Leitsalz. Elektrochemische Energiespeicher enthalten daher einen Elektrolyten, in dem das Metall in ionischer Form enthalten ist.In electrochemical energy storage such as metal-air batteries, charge transport by an electrolyte is concerned. A liquid electrolyte contains a conductive salt dissolved in a solvent. Electrochemical energy stores therefore contain an electrolyte in which the metal is contained in ionic form.
Bezogen auf Metall-Luft-Batterien, in denen die Anode oder das negative Elektroden-Material aus Lithium-, Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Zink- und Eisen-Metall ausgebildet ist, umfasst das Salz vorzugsweise die entsprechenden Metall-Ionen bzw. Salze basierend auf 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat- oder FEES–-Anionen. Die Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salze sind daher vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithium-, Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Zink- und/oder Eisen-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat.With respect to metal-air batteries in which the anode or the negative electrode material of lithium, sodium, magnesium, aluminum, zinc and iron metal is formed, the salt preferably comprises the corresponding metal ions or Salts based on 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate or FEES - anions. The metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salts are therefore preferably selected from the group comprising lithium, sodium, magnesium, aluminum, zinc and / or iron 2-pentafluoroethoxy -1,1,2,2-tetrafluoro-ethane sulfonate.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Salz Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat. Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat wird auch als Lithium-1,1,2,2-tetrafluoro-2-(pentafluoroethoxy)ethansulfonat bezeichnet. Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat (LiFEES) zeigt eine besonders gute Beständigkeit gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs wie O2 – oder Superoxiden sowie eine hohe Stabilität in Gegenwart von Li2O2 und Li2O. Weiterhin weist Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat eine hohe ionische Leitfähigkeit und ein weites elektrochemisches Stabilitätsfenster auf. Weiterhin fördert Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salze nicht die Auflösung von Aluminium, was einen großen Vorteil gegenüber den in Lithium-Luft-Systemen verwendbaren Salzen LiTf und LiTFSI zur Verfügung stellt. Gegenüber LiPF6 liegen die Vorteile in einer geringeren Hydrolyseempfindlichkeit und einer höheren thermischen Stabilität.In a preferred embodiment, the salt is lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate. Lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate is also referred to as
Bevorzugt sind organische Elektrolyte und Elektrolyte auf Basis ionischer Flüssigkeiten. In bevorzugten Ausführungsformen liegt das Metallsalz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, in einem Elektrolyten umfassend ein Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glykoldialkylether sowie deren Oligomere und Polymere, Amide, Sulfoxide, Nitrile, Phosphonate, Phosphat-Ether, fluorierte Ether, substituierte 2-Oxazolidinone, ionische Flüssigkeiten und/oder deren Mischungen vor.Preference is given to organic electrolytes and electrolytes based on ionic liquids. In preferred embodiments, the metal salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in an electrolyte comprising a solvent selected from the group comprising glycol dialkyl ethers and their oligomers and polymers, amides, sulfoxides, nitriles, Phosphonates, phosphate ethers, fluorinated ethers, substituted 2-oxazolidinones, ionic liquids and / or mixtures thereof.
Bevorzugte Amide und Lactame sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid (DMA) und/oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP). Ein bevorzugtes Sulfoxid ist Dimethylsulfoxid (DMSO). Bevorzugte Nitrile sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Acetonitril (AN), 1,4-Dicyanobutan (Adiponitril, AND) und/oder aromatische Nitrile wie 2-Tolunitril und Benzonitril (BN). Ein bevorzugtes Phosphonate bzw. Phosphat-Ether ist Tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphat (TFP). Bevorzugte Lösungsmittel sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid (DMA), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), 2-Tolunitril, Benzonitril, Tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphat (TFP), Dimethylsulfoxid (DMSO) und/oder deren Mischungen.Preferred amides and lactams are selected from the group comprising dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA) and / or N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). A preferred sulfoxide is dimethylsulfoxide (DMSO). Preferred nitriles are selected from the group comprising acetonitrile (AN), 1,4-dicyanobutane (adiponitrile, AND) and / or aromatic nitriles such as 2-tolunitrile and benzonitrile (BN). A preferred phosphonate or phosphate ether is tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFP). Preferred solvents are selected from the group comprising dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 2-tolunitrile, benzonitrile, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate (TFP), Dimethyl sulfoxide (DMSO) and / or mixtures thereof.
Besonders bevorzugte Lösungsmittel sind Glykoldialkylether (glymes) der allgemeinen Formel R1-O-(CH2CH2-O)n-R2 wobei R1 und R2 sind unabhängig voneinander CH3, C2H5, C3H7 oder C4H9 und n = 1 bis 50 und deren Mischungen. Glykoldialkylether sind chemisch und thermisch stabil. So halten Glykoldialkylether Temperaturen von über 200°C stand ohne sich zu zersetzen. Bevorzugte Glykoldialkylether sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend 1,2-Dimethoxyethan (Ethylenglykoldimethylether oder Monoglyme), Bis(2-methoxyethyl)ether (Diglyme), Triethylenglykoldimethylether (Triglyme) und/oder Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme).Particularly preferred solvents are glycol dialkyl ethers (glymes) of the general formula R 1 -O- (CH 2 CH 2 -O) n -R 2 where R 1 and R 2 are each independently CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 or C 4 H 9 and n = 1 to 50 and mixtures thereof. Glycol dialkyl ethers are chemically and thermally stable. Thus, glycol dialkyl ethers withstand temperatures of over 200 ° C without decomposing. Preferred glycol dialkyl ethers are selected from the group comprising 1,2-dimethoxyethane (ethylene glycol dimethyl ether or monoglyme), bis (2-methoxyethyl) ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme) and / or tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme).
Weiter bevorzugt sind Glykoldialkylether der allgemeinen Formel R1-O-(CH2CH2-O)n-R2 wobei R1 und R2 sind unabhängig voneinander CH3, C2H5, C3H7 oder C4H9 und n = 2 bis 50. Besonders bevorzugte Glykoldialkylether sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(2-methoxyethyl)ether (Diglyme), Triethylenglykoldimethylether (Triglyme) und/oder Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme). Diese weisen einen höheren Siedepunkt auf und sind in einem offenen Batteriesystem vorteilhaft verwendbar. Ganz besonders bevorzugt ist Tetraethylenglykoldimethylether (TEG-DME), das auch als 2,5,8,11,14-Pentaoxapentadecan bezeichnet wird.Further preferred are glycol dialkyl ethers of the general formula R 1 -O- (CH 2 CH 2 -O) n -R 2 where R 1 and R 2 are each independently CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 or C 4 H 9 and n = 2 to 50. Particularly preferred glycol dialkyl ethers are selected from the group comprising bis (2-methoxyethyl) ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme) and / or tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme). These have a higher boiling point and are advantageously used in an open battery system. Very particularly preferred is tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME), which is also referred to as 2,5,8,11,14-Pentaoxapentadecan.
Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien, die einen Elektrolyten, der in Tetraethylenglykoldimethylether (TEG-DME) gelöstes Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat umfasst, enthalten, sind in vorteilhafter Weise besonders stabil gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs wie O2 – oder Superoxiden. Die hohe Stabilität des Elektrolyt-Systems von Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat (LiFEES) in Tetraethylenglykoldimethylether gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs konnte experimentell durch das Vorliegen von Li2O2 als gewünschtes Produkt der Elektrodenreaktion gezeigt werden.Metal-air and metal-oxygen batteries comprising an electrolyte of metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salt dissolved in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME), especially lithium 2-pentafluoroethoxy -1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate included are advantageously particularly stable to reduced forms of oxygen such as O 2 - or superoxides. The high stability of the electrolyte system of lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (LiFEES) in tetraethylene glycol dimethyl ether to reduced forms of oxygen was experimentally demonstrated by the presence of Li 2 O 2 as the desired product of the electrode reaction to be shown.
Die Bildung von Li2O2 in der Elektrodenreaktion ist auch abhängig vom Elektrolyten, insbesondere von Lösungsmittel und Salz. So wird kein Li2O2 in den in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Carbonat-Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat gebildet, da die hohe Reaktivität der Carbonate und reduzierten Formen des Sauerstoffs dies verhindern. Daher sind cyclische oder lineare Carbonate als Lösungsmittel in Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien vorzugsweise nicht verwendbar und Elektrolyte für Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien enthalten vorzugsweise keine cyclischen oder linearen Carbonate als Lösungsmittel.The formation of Li 2 O 2 in the electrode reaction is also dependent on the electrolyte, in particular the solvent and salt. Thus, no Li 2 O 2 is formed in the carbonate solvents such as ethylene carbonate used in lithium-ion batteries because the high reactivity of the carbonates and reduced forms of oxygen prevent this. Therefore, cyclic or linear carbonates are preferably not usable as solvents in metal-air and metal-oxygen batteries, and electrolytes for metal-air and metal-oxygen batteries preferably do not contain cyclic or linear carbonates as solvents.
Auch bevorzugte Lösungsmittel für Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien sind ionische Flüssigkeiten, die eine hohe thermische wie elektrochemische Stabilität mit einer hohen ionischen Leitfähigkeit vereinen. Bevorzugte ionische Flüssigkeiten umfassen ein Kation ausgewählt aus der Gruppe umfassend 1-Ethyl-3-methylimidazolium (EMI+), 1,2-Dimethyl-3-propylimidazolium (DMPI+), 1,2-Diethyl-3,5-dimethylimidazolium (DEDMI+), Trimethyl-n-hexylammonium (TMHA+), N-alkyl-N-methylpyrrolidinium (PYR1R +), N-alkyl-N-methylpiperidinium (PIP1R +) und/oder N-alkyl-N-methylmorpholinium (MORP1R +) und ein Anion ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(trifluormethansulfonyl)imid (TFSI–), Bis(pentafluorethansulfonyl)imid (BETA), Bis(fluorsulfonyl)imid (FSI–), 2,2,2-Trifluor-N-(trifluormethansulfonyl)acetamid (TSAC–), Tetrafluorborat (BF4 –), Pentafluorethanetrifluoroborate (C2F5BF3 –), Hexafluorphosphat (PF6 –) und/oder Tri(pentafluorethan)trifluorphosphat ((C2F5)3PF3 –). Bevorzugte N-alkyl-N-methylpyrrolidinium (PYR1R +) Kationen sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR14 +) und/oder N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR13 +). Bevorzugte ionische Flüssigkeiten sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend N-butyl-N-methylpyrrolidiniumbis(trifluoromethansulfonyl)imid (PYR14TFSI) und/oder N-methyl-N-propylpyrrolidiniumbis(trifluoromethansulfonyl)imid (PYR13TFSI).Also preferred solvents for metal-air and metal-oxygen batteries are ionic liquids which combine high thermal and electrochemical stability with high ionic conductivity. Preferred ionic liquids include a cation selected from the group consisting of 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI + ), 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium (DMPI + ), 1,2-diethyl-3,5-dimethylimidazolium (DEDMI + ), Trimethyl-n-hexylammonium (TMHA + ), N-alkyl-N-methylpyrrolidinium (PYR 1R + ), N-alkyl-N-methylpiperidinium (PIP 1R + ) and / or N-alkyl-N-methylmorpholinium (MORP 1R + ) and an anion selected from the group comprising bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI - ), bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide (BETA), bis (fluorosulfonyl) imide (FSI - ), 2,2,2-trifluoro-N- (trifluoromethanesulfonyl) acetamide (TSAC - ), tetrafluoroborate (BF 4 - ), pentafluoroethane trifluoroborates (C 2 F 5 BF 3 - ), hexafluorophosphate (PF 6 - ) and / or tri (pentafluoroethane) trifluorophosphate ((C 2 F 5 ) 3 PF 3 - ). Preferred N-alkyl-N-methylpyrrolidinium (PYR 1R + ) cations are selected from the group comprising N-butyl-N-methylpyrrolidinium (PYR 14 + ) and / or N-methyl-N-propylpyrrolidinium (PYR 13 + ). Preferred ionic liquids are selected from the group comprising N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (PYR 14 TFSI) and / or N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (PYR 13 TFSI).
Die Konzentration des Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salzes, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonats, im Elektrolyten kann im Bereich von ≥ 0,2 M bis ≤ 1,6 M, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,6 M bis ≤ 1,4 M, bevorzugt im Bereich von ≥ 0,8 M bis ≤ 1,2 M, liegen. Besonders bevorzugt können die Metallsalze insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat in einer Konzentration von 1 M vorliegen.The concentration of the metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in the electrolyte can be in the range of ≥ 0 , 2 M to ≦ 1.6 M, preferably in the range from ≥ 0.6 M to ≦ 1.4 M, preferably in the range from ≥ 0.8 M to ≦ 1.2 M. Particular preference may be given to the metal salts, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in a concentration of 1 M.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Elektrolyt für einen Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeicher umfassend ein Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, als Elektrolyt-Salz und ein Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glykoldialkylether der allgemeinen Formel R1-O-(CH2CH2-O)n-R2 wobei R1 und R2 sind unabhängig voneinander CH3, C2H5, C3H7 oder C4H9 und n = 2 bis 50, Dimethylformamid (DMF), Dimethylacetamid (DMA), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), 2-Tolunitril, Benzonitril, Tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphat (TFP), Dimethylsulfoxid (DMSO) und/oder deren Mischungen.Another object of the invention relates to an electrolyte for a metal-air or metal-oxygen energy storage comprising a metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethanesulfonate salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1 , 1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, as an electrolyte salt and a solvent selected from the group comprising glycol dialkyl ethers of the general formula R 1 -O- (CH 2 CH 2 -O) n -R 2 where R 1 and R 2 are independently CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 or C 4 H 9 and n = 2 to 50, dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMA), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), 2- Tolunitrile, benzonitrile, tris (2,2,2- trifluoroethyl) phosphate (TFP), dimethyl sulfoxide (DMSO) and / or mixtures thereof.
Die Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salze sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Lithium-, Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Zink- und/oder Eisen-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat. Bevorzugt ist das Salz Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat.The metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salts are preferably selected from the group comprising lithium, sodium, magnesium, aluminum, zinc and / or iron 2-
Ein bevorzugtes Lösungsmittel ist Dimethylsulfoxid (DMSO). Besonders bevorzugte Lösungsmittel sind Glykoldialkylether der allgemeinen Formel R1-O-(CH2CH2-O)n-R2, wobei R1 und R2 sind unabhängig voneinander CH3, C2H5, C3H7 oder C4H9 und n = 2 bis 50, und deren Mischungen. Bevorzugte Glykoldialkylether (glymes) sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(2-methoxyethyl)ether (Diglyme), Triethylenglykoldimethylether (Triglyme) und/oder Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme). Diese weisen einen höheren Siedepunkt auf und sind in einem offenen Batteriesystem vorteilhaft verwendbar. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Lösungsmittel Tetraethylenglykoldimethylether. Elektrolyte, die in Tetraethylenglykoldimethylether (TEG-DME) gelöstes Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, enthalten, sind in vorteilhafter Weise besonders stabil gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs wie O2 – oder Superoxiden. Diese sind daher besonders gut geeignet für Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien. Elektrolyte für Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien enthalten vorzugsweise keine cyclischen oder linearen Carbonate als Lösungsmittel wie sie in Lithium-Ionen-Batterien Verwendung finden.A preferred solvent is dimethyl sulfoxide (DMSO). Particularly preferred solvents are glycol dialkyl ethers of the general formula R 1 -O- (CH 2 CH 2 -O) n -R 2 , where R 1 and R 2 are each independently CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 or C 4 H 9 and n = 2 to 50, and mixtures thereof. Preferred glycol dialkyl ethers (glymes) are selected from the group comprising bis (2-methoxyethyl) ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme) and / or tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme). These have a higher boiling point and are advantageously used in an open battery system. In preferred embodiments, the solvent is tetraethylene glycol dimethyl ether. Electrolytes containing the metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salt dissolved in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME), in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, are advantageously particularly stable to reduced forms of oxygen such as O 2 - or superoxides. These are therefore particularly well suited for metal-air and metal-oxygen batteries. Electrolytes for metal-air and metal-oxygen batteries preferably contain no cyclic or linear carbonates as solvents as used in lithium-ion batteries.
In bevorzugten Ausführungsformen liegt die Konzentration des Metallsalzes, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, im Elektrolyten im Bereich von ≥ 0,2 M bis ≤ 1,6 M, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,6 M bis ≤ 1,4 M, besonders bevorzugt im Bereich von ≥ 0,8 M bis ≤ 1,2 M. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Konzentration an Metallsalz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, im Elektrolyten bei 1 M. In vorteilhafter Weise führen solche Konzentrationen an Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat zu einer guten Leitfähigkeit des Elektrolyten.In preferred embodiments, the concentration of the metal salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in the electrolyte is in the range of ≥ 0.2 M to ≦ 1.6 M, preferably in the range of ≥ 0.6 M to ≦ 1.4 M, particularly preferably in the range from ≥ 0.8 M to ≦ 1.2 M. In a particularly preferred embodiment, the concentration of metal salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1, 2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in the electrolyte at 1 M. Advantageously, such concentrations of lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate lead to a good conductivity of the electrolyte.
Die Metallsalze basierend auf 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Anionen (FEES–-Anionen) sind als Leit- oder Elektrolytsalz in Elektrolyten für Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeicher verwendbar. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salzes in Metall-Luft- oder Metall-Sauerstoff-Energiespeichern, insbesondere in Lithium-Luft- oder Lithium-Sauerstoff-Akkumulatoren oder -Batterien. Bevorzugt ist die Verwendung von Lithium-, Natrium-, Magnesium-, Aluminium-, Zink- und/oder Eisen-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, insbesondere von Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat.The metal salts based on 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate anions (FEES - anions) are useful as a conductive or electrolyte salt in electrolytes for metal-air or metal-oxygen energy storage. Another object of the invention relates to the use of a metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethanesulfonate salt in metal-air or metal-oxygen energy storage, especially in lithium-air or lithium-oxygen Accumulators or batteries. Preference is given to the use of lithium, sodium, magnesium, aluminum, zinc and / or iron 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in particular of lithium 2-pentafluoroethoxy-1, 1,2,2-tetrafluoro-ethane sulfonate.
In vorteilhafter Weise kann insbesondere durch Verwendung von Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat in Lithium-Luft- oder Lithium-Sauerstoff-Akkumulator oder -Batterien ein Leitsalz zur Verfügung gestellt werden, das thermisch und gegenüber Feuchtigkeit stabil und hydrolysestabil ist, keine Auflösung eines Aluminium-Stromsammlers unterstützt und das stabil gegenüber O2 – oder Superoxiden ist.In an advantageous manner, in particular by using lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate in lithium-air or lithium-oxygen storage batteries or batteries, a conductive salt can be provided which is thermal and opposite moisture is stable and resistant to hydrolysis, does not support resolution of an aluminum current collector and the stable to O 2 - or superoxides.
Die Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salze sind nach üblichen Synthesemethoden herstellbar, beispielsweise durch Umsetzen von Perfluoro(2-ethoxyethan)sulfonsäure mit dem entsprechenden Metallhydroxid. Beispielsweise Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat ist auch kommerziell erhältlich.The metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethanesulfonate salts can be prepared by customary synthesis methods, for example by reacting perfluoro (2-ethoxyethane) sulfonic acid with the corresponding metal hydroxide. For example, lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate is also commercially available.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Metallsalz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, in einem Elektrolyten umfassend ein Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glykoldialkylether der allgemeinen Formel R1-O-(CH2CH2-O)n-R2 wobei R1 und R2 sind unabhängig voneinander CH3, C2H5, C3H7 oder C4H9, und n = 2 bis 50, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, N-Methyl-2-pyrrolidon, 2-Tolunitril, Benzonitril, Tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphat, Dimethylsulfoxid und/oder deren Mischungen.In a preferred embodiment, the metal salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, in an electrolyte comprising a solvent selected from the group comprising glycol dialkyl ethers of the general formula R 1 -O- (CH 2 CH 2 -O) n -R 2 where R 1 and R 2 are each independently CH 3 , C 2 H 5 , C 3 H 7 or C 4 H 9 , and n = 2 to 50, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl 2-pyrrolidone, 2-tolunitrile, benzonitrile, tris (2,2,2-trifluoroethyl) phosphate, dimethyl sulfoxide and / or mixtures thereof.
Bevorzugte Glykoldialkylether (glymes) sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend Bis(2-methoxyethyl)ether (Diglyme), Triethylenglykoldimethylether (Triglyme) und/oder Tetraethylenglykoldimethylether (Tetraglyme). Besonders bevorzugt Ausführungsformen wird das Metallsalz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, in Tetraethylenglykoldimethylether als Lösungsmittel verwendet. Elektrolyte, die in Tetraethylenglykoldimethylether (TEG-DME) gelöstes Metall-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat-Salz, insbesondere Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, enthalten, sind besonders gut für Metall-Luft- und Metall-Sauerstoff-Batterien verwendbar, da sie besonders stabil gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs wie O2 – oder Superoxiden sind.Preferred glycol dialkyl ethers (glymes) are selected from the group comprising bis (2-methoxyethyl) ether (diglyme), triethylene glycol dimethyl ether (triglyme) and / or tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme). Particularly preferred embodiments is the metal salt, in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, used in tetraethylene glycol dimethyl ether as a solvent. Electrolytes containing the metal 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate salt dissolved in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME), in particular lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, are particularly useful for metal-air and metal-oxygen batteries because they are particularly stable to reduced forms of oxygen such as O 2 - or superoxides.
Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben. Examples and figures which serve to illustrate the present invention are given below.
Hierbei zeigen die Figuren:Here are the figures:
Beispiel 1example 1
Herstellung von Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat (LiFEES)Preparation of lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (LiFEES)
15,0 g (47,5 mmol) Perfluoro(2-ethoxyethan)sulfonsäure (ABCR, 95%) wurden mit 2,01 g (47,9 mmol) Lithiumhydroxid Monohydrat (Sigma-Aldrich, puriss. p. a., ≥ 99.0%) in 50 ml Milli-Q Wasser (Millipore) gemischt und 2 Stunden bei 50°C gerührt. Nach Abziehen des Wassers und Umkristallisation aus einer Acetonitril/Dichlormethan-Mischung erhielt man Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethansulfonat als farblose Kristalle. Durch erneutes Lösen und Abziehen des Lösungsmittels lag das Salz als weißes Pulver vor, welches vor Gebrauch für 24 Stunden im Vakuum bei 80°C getrocknet wurde.15.0 g (47.5 mmol) of perfluoro (2-ethoxyethane) sulfonic acid (ABCR, 95%) were mixed with 2.01 g (47.9 mmol) of lithium hydroxide monohydrate (Sigma-Aldrich, puriss. Pa, ≥ 99.0%). mixed in 50 ml Milli-Q water (Millipore) and stirred for 2 hours at 50 ° C. After removal of the water and recrystallization from an acetonitrile / dichloromethane mixture, lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate was obtained as colorless crystals. By renewed dissolution and removal of the solvent, the salt was present as a white powder, which was dried for 24 hours under vacuum at 80 ° C before use.
Elektrochemische Methoden und Techniken:Electrochemical Methods and Techniques:
Herstellung der ElektrolytenProduction of the electrolytes
Die Herstellung der Elektrolyten wurde unter Schutzgasatmosphäre in einer Argon-gefüllten Glove-Box durchgeführt, bei einem Wasser- und Sauerstoffgehalt von weniger als 0,1 ppm. Das Lösungsmittel Tetraethylenglykoldimethylether (TEGDME, Sigma Aldrich, 99%, wasserfrei) wurde zunächst mit Molsieb (4 Å) versetzt, ansonsten ohne weitere Aufarbeitung verwendet. Für den Ansatz des erfindungsgemäßen Elektrolyten wurden Tetraethylenglykoldimethylether und Lithiumtetrafluoro(pentafluoroethoxyethan)sulfonat (LiFEES), welches gemäß Beispiel 1 hergestellt wurde, im Gewichtsverhältnis 4:1 (1 molar) vermischt. Zur Herstellung der Vergleichselektrolyten wurden LiPF6 (Sigma Aldrich, 99,99%) und Lithiumtrifluoromethylsulfonat (LiSO3CF3, 3 M, 99,99%) jeweils im entsprechenden Gewichtsverhältnis gemischt, so dass sich ebenfalls jeweils eine 1 M Lösung ergab.The preparation of the electrolytes was carried out under a protective gas atmosphere in an argon-filled glove box, with a water and oxygen content of less than 0.1 ppm. The solvent tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME, Sigma Aldrich, 99%, anhydrous) was first mixed with molecular sieve (4 Å), otherwise used without further workup. Tetraethylene glycol dimethyl ether and lithium tetrafluoro (pentafluoroethoxyethane) sulfonate (LiFEES), which was prepared according to Example 1, were mixed in a weight ratio of 4: 1 (1 molar) for the batch of the electrolyte according to the invention. For the preparation of the comparative electrolyte LiPF 6 (Sigma Aldrich, 99.99%) and lithium trifluoromethylsulfonate (LiSO 3 CF 3 , 3 M, 99.99%) were mixed in each case in the appropriate weight ratio, so that in each case also gave a 1 M solution.
Herstellung der Gas-Diffusions-ElektrodenProduction of the gas diffusion electrodes
Die Gas-Diffusions-Elektroden wurden nach der
Gas-Diffusions-Elektroden mit Elektrokatalysator auf Basis von α-MnO2 und säure-behandeltem Li2MnO3 (AT-LMO) wurden nach dem entsprechenden Herstellungsverfahren hergestellt.Gas-diffusion electrodes with electrocatalyst based on α-MnO 2 and acid-treated Li 2 MnO 3 (AT-LMO) were prepared according to the corresponding manufacturing process.
Gas-Diffusions-Elektrode mit Elektrokatalysator auf Basis von α-MnO2:
Zunächst wurden Nanodrähte von α-MnO2 synthetisiert, indem jeweils 1 mmol KMnO4 (ABCR, 98%) und NH4Cl(ABCR, 98%) in 50 ml Wasser gelöst und in einen Autoklaven überführt wurden, so dass dieser zu 80% nach Volumen gefüllt war. Der Autoklav wurde bei 140°C für 24 Stunden im Ofen (Binder) erhitzt. Nach Ablauf der Zeit ließ man den Autoklaven auf Zimmertemperatur abkühlen. Nach Filtration des Inhalts wurde ein Pulver erhalten. Der Filterrückstand wurde mehrere Male mit entmineralisiertem Wasser gewaschen vor einem abschließenden Waschen mit Ethanol. Das Pulver wurde bei 60°C für eine Stunde im Vakuum und anschließend über Nacht bei 100°C getrocknet. Die Herstellung der Gas-Diffusions-Elektrode erfolgt anschließend wie vorstehend angegeben. Die Zusammensetzung der Elektrode bezogen auf das Gewichtsverhältnis betrug C:PTFE:α-MnO2 = 70:15:15.Gas diffusion electrode with electrocatalyst based on α-MnO 2 :
First, nanowires of α-MnO 2 were synthesized by dissolving 1 mmol each of KMnO 4 (ABCR, 98%) and NH 4 Cl (ABCR, 98%) in 50 ml of water and placing them in an autoclave so that it was 80% was filled to volume. The autoclave was heated at 140 ° C for 24 hours in the oven (binder). At the end of the time, the autoclave was allowed to cool to room temperature. After filtration of the contents, a powder was obtained. The filter residue was washed several times with demineralised water before a final wash with ethanol. The powder was dried at 60 ° C for one hour in vacuo and then overnight at 100 ° C. The preparation of the gas diffusion electrode then takes place as indicated above. The composition of the electrode by weight ratio was C: PTFE: α-MnO 2 = 70:15:15.
Gas-Diffusions-Elektrode mit Elektrokatalysator auf Basis von säure-behandeltem Li2MnO3:
Die Synthese von Li2MnO3 umfasste zunächst das Lösen einer stöchiometrischen Menge der gepulverten Vorstufen an Mangan(II)acetat-tetrahydrat (ABCR, 99%) und Lithiumacetatmonohydrat (ABCR, 99%) in einer Mischung von Ehylenglykol (BDH Prolabo 99,7%) und Zitronensäure (Grüssing GmbH 99%). Das Mol-Verhältnis von Ethylenglykol (EG) zu Zitronensäure (CA) betrug 4:1 und das Mol-Verhältnis von Ethylenglykol (EG) zu Mangan(II)-Ionen betrug 10:1. Ein vollständiges Lösen der Reagenzien erfolgte anschließend durch Erhitzen unter Rühren auf 90°C. Anschließend wurde die Temperatur auf 140°C erhöht, um die Esterifizierungs-Reaktion in Gang zu setzen. Danach wurde die Temperatur für 12 Stunden auf 180°C erhöht, wobei sich der Polyester bildete. Im Folgenden wurde für 6 Stunden auf 250°C erhitzt, wodurch sich das Ethylenglykol verflüchtigt und die Probe karamelisiert erschien. Die Probe wurde dann bei 450°C für 5 Stunden in einem Hochtemperaturofen (Nabertherm) kalziniert, wobei sich die Vorstufen zersetzen. Die anschließende Säure-Behandlung umfasste ein Rühren des erhaltenen Pulvers in einer 8 M Lösung von H2SO4 für etwa eine Woche bei 50°C. Nach einer Woche wurde das Pulver filtriert, mehrere Male mit entmineralisiertem Wasser gewaschen bis der pH-Wert neutral war und bei 80°C für 12 Stunden vorgetrocknet bevor abschließend für weitere 6 Stunden bei 300°C getrocknet wurde. Die Herstellung der Gas-Diffusions-Elektrode erfolgt anschließend wie vorstehend angegeben. Die Zusammensetzung der Elektrode bezogen auf das Gewichtsverhältnis betrug C:PTFE:AT-LMO = 67:15:18. die Angabe bezieht sich auf die säure-behandelte Form des Li2MnO3-Materials (AT-LMO).Gas diffusion electrode with electrocatalyst based on acid-treated Li 2 MnO 3 :
The synthesis of Li 2 MnO 3 initially involved dissolving a stoichiometric amount of the powdered precursors of manganese (II) acetate tetrahydrate (ABCR, 99%) and lithium acetate monohydrate (ABCR, 99%) in a mixture of ethylene glycol (BDH Prolabo 99.7 %) and citric acid (Grüssing GmbH 99%). The molar ratio of ethylene glycol (EG) to citric acid (CA) was 4: 1 and the molar ratio of ethylene glycol (EG) to manganese (II) ions was 10: 1. Complete dissolution of the reagents was then carried out by heating with stirring to 90 ° C. Subsequently, the temperature was raised to 140 ° C to initiate the esterification reaction. Thereafter, the temperature was raised to 180 ° C for 12 hours to form the polyester. The following was heated to 250 ° C for 6 hours, whereby the ethylene glycol volatilized and the sample caramelized appeared. The sample was then calcined at 450 ° C for 5 hours in a high temperature oven (Nabertherm), whereby the precursors decompose. Subsequent acid treatment involved stirring the resulting powder in an 8M solution of H 2 SO 4 for about one week at 50 ° C. After one week, the powder was filtered, washed several times with demineralised water until the pH was neutral and predried at 80 ° C for 12 hours before finally drying at 300 ° C for a further 6 hours. The preparation of the gas diffusion electrode then takes place as indicated above. The composition of the electrode by weight ratio was C: PTFE: AT-LMO = 67:15:18. the figure refers to the acid-treated form of the Li 2 MnO 3 material (AT-LMO).
Fertigung der elektrochemischen Metall-Luft/Sauerstoff ZelleProduction of electrochemical metal-air / oxygen cell
Die Zellen für die elektrochemischen Messungen wurden unter Schutzgasatmosphäre in einer Argon-gefüllten Glove-Box gefertigt, bei einem Wasser- und Sauerstoffgehalt von weniger als 0,1 ppm.The cells for the electrochemical measurements were fabricated under a protective gas atmosphere in an argon-filled glove box, with a water and oxygen content of less than 0.1 ppm.
Eine schematische Ansicht der Zelle für die elektrochemischen Messungen ist in
Lithium-Metall-Folie (Rockwood Lithium) wurde sowohl als Gegenelektrode (GE) als auch als Referenzelektrode (RE) eingesetzt. Getrennt wurden die Gas-Diffusions-Elektroden (GDE) von den Gegenelektroden durch Glasfaser-Separatoren (Whatman, GF/D), die mit dem jeweiligen Elektrolyten getränkt wurden.Lithium-metal foil (Rockwood Lithium) was used both as a counter electrode (GE) and as a reference electrode (RE). Separately, the gas diffusion electrodes (GDE) were separated from the counter electrodes by glass fiber separators (Whatman, GF / D) soaked in the respective electrolyte.
In den Experimenten wurde eine negative Elektrode aus metallischem Lithium verwendet. Die genannten Potenziale beziehen sich somit auf das Redoxpaar Li/Li+. Die elektrochemischen Untersuchungen wurden bei einer Temperatur von 20°C ± 2°C durchgeführt. Als Potentiostat/Galvanostat wurde ein BaSyTec GSM (BaSyTec GmbH) Batterie Testsystem verwendet.In the experiments, a negative electrode of metallic lithium was used. The These potentials thus refer to the redox couple Li / Li + . The electrochemical tests were carried out at a temperature of 20 ° C ± 2 ° C. As potentiostat / galvanostat a BaSyTec GSM (BaSyTec GmbH) battery test system was used.
Beispiel 2Example 2
Bestimmung des elektrochemischen StabilitätsfenstersDetermination of the electrochemical stability window
Untersucht wurde das elektrochemische Stabilitätsfenster eines Elektrolyten enthaltend 1 M LiSO3C2F4OC2F5 (Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat, LiFEES) in Tetraethylenglykol-Dimethylether sowie von Vergleichselektrolyten enthaltend jeweils 1 M LiPF6 oder 1 M LiSO3CF3 (Lithiumtrifluoromethylsulfonat, LiTf) in Tetraethylenglykol-Dimethylether (TEG-DME).The electrochemical stability window of an electrolyte comprising 1 M LiSO 3 C 2 F 4 OC 2 F 5 (lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate, LiFEES) in tetraethylene glycol dimethyl ether and comparative electrolytes was investigated 1 M LiPF 6 or 1 M LiSO 3 CF 3 (lithium trifluoromethylsulfonate, LiTf) in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME).
Das elektrochemische Stabilitätsfenster der Elektrolyten wurde jeweils in einer konventionellen Swagelok®-Zelle auf einer BioLogic VSP Electrochemical Workstation (BioLogic) unter Verwendung von Linear Sweep Voltammetry (LSV) ermittelt. Als Arbeitselektrode wurde eine Gold-Mikroelektrode (Metrohm Autolab B. V., Au 3 mm) mit einer geometrischen Oberfläche von 0,0707 cm2 verwendet, während metallisches Lithium sowohl als Gegenelektrode als auch als Referenzelektrode eingesetzt wurde. Mit einer Rate von 0,075 mV/s wurde das Potenzial der Arbeitselektrode zwischen dem Anfangs-Potential (OCV), der Leerlaufspannung, bei welcher kein Strom fließt, und dem End-Potential von 5,5 V vs. Li/Li+ abgetastet.The electrochemical stability window of the electrolyte was determined in each case in a conventional Swagelok ® cell on a BioLogic VSP Electrochemical Workstation (BioLogic) using linear sweep voltammetry (LSV). The working electrode used was a gold microelectrode (Metrohm Autolab BV,
Die
Diese Stabilität erlaubt es, Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat wie Lithiumhexefluorophosphat oder Lithiumfluoromethansulfonat als Leitsalz in Lithium-Luft- oder Lithium-Sauerstoff-Zellen zu verwenden. Lithiumfluoromethansulfonat unterstützt bekannterweise jedoch eine Auflösung von Aluminium.This stability allows lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate such as lithium hexafluorophosphate or lithium fluoromethanesulfonate to be used as the conductive salt in lithium-air or lithium-oxygen cells. However, lithium fluoromethanesulfonate is known to aid in the dissolution of aluminum.
Beispiel 3Example 3
Untersuchung an AluminiumelektrodenInvestigation on aluminum electrodes
Untersucht wurde die Auflösung von Aluminium durch TEG-DME-basierte Elektrolyte, die 1 M LiPF6 oder Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat (LiFEES, LiSO3C2F4OC2F5) als Lithium-Ionen-leitendes Salz in Tetraethylenglykol-Dimethylether enthalten.The dissolution of aluminum was investigated by TEG-DME-based electrolytes containing 1 M LiPF 6 or lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (LiFEES, LiSO 3 C 2 F 4 OC 2 F 5 ) as the lithium ion-conducting salt in tetraethylene glycol dimethyl ether.
Die Experimente wurden jeweils in einer konventionellen Swagelok®-Zelle auf einer BioLogic VSP electrochemical workstation (BioLogic) unter Verwendung von Linear Sweep Voltammetry (LSV) durchgeführt. Als Arbeitselektrode wurde eine Aluminiumscheibe mit 12 mm Durchmesser und einer geometrischen Oberfläche von 1,131 cm2 verwendet, während metallisches Lithium sowohl als Gegenelektrode als auch als Referenzelektrode eingesetzt wurde. Mit einer Rate von 0,075 mV/s wurde das Potenzial der Arbeitselektrode zwischen dem Anfangs-Potential (OCV), der Leerlaufspannung, bei welcher kein Strom fließt, und dem End-Potential von 5,5 V vs. Li/Li+ abgetastet.The experiments were carried out in each case in a conventional Swagelok ® cell on a BioLogic VSP electrochemical workstation (BioLogic) using linear sweep voltammetry (LSV). The working electrode used was a 12 mm diameter aluminum disc having a geometric surface area of 1.1131 cm 2 , while metallic lithium was used both as a counter electrode and as a reference electrode. At a rate of 0.075 mV / s, the potential of the working electrode between the initial potential (OCV), the no-load voltage at which no current flows, and the end potential of 5.5V. Li / Li + scanned.
Die
Beispiel 4Example 4
Zyklisierung einer Lithium-Luft-Zelle mit konstanter StromstärkeCyclization of a lithium-air cell with constant current
Die Zyklisierung mit konstanter Stromstärke wurden auf einem BaSyTec GSM battery test system (BaSyTec GmbH) durchgeführt. Die Zyklisierungsexperimente wurden in trockener Luft bei Atmosphärendruck und 20°C in einer oben beschriebenen für Gas-Diffusions-Elektroden modifizierten Swagelok®-Zelle durchgeführt. Trockene Luft diente als Sauerstoffquelle. Die Lithium-Luft-Zellen wurden in einem Potentialbereich zwischen 2 V und 4,5 V vs. Li/Li+ bei einer Stromdichte von 5 mA/g, bezogen auf die Menge an Kohlenstoff-Aktivmaterial in der Elektrode, ent- und geladen. Als Gas-Diffusions-Elektroden wurden eine wie oben beschrieben hergestellte Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektrode, sowie Gas-Diffusions-Elektroden mit Elektrokatalysator auf Basis von α-MnO2 und säure-behandeltem Li2MnO3 verwendet. Als Elektrolyt wurde eine 1 M Lösung von Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat (LiFEES) in Tetraethylenglykol-Dimethylether (TEG-DME) verwendet.Cyclization with constant current was performed on a BaSyTec GSM battery test system (BaSyTec GmbH). The Zyklisierungsexperimente were carried out in dry air at atmospheric pressure and 20 ° C in an above-described modified for gas diffusion electrodes Swagelok ® cell. Dry air served as a source of oxygen. The lithium-air cells were in a potential range between 2 V and 4.5 V vs. Li / Li + at a current density of 5 mA / g, based on the amount of carbon-active material in the electrode, charged and charged. As the gas diffusion electrodes, a carbon gas diffusion electrode prepared as described above, and gas diffusion electrodes with Electrocatalyst based on α-MnO 2 and acid-treated Li 2 MnO 3 used. The electrolyte used was a 1 M solution of lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (LiFEES) in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME).
Die
Diese Ergebnisse zeigen, dass das Salz Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethan-sulfonat bei sämtlichen Elektroden ein bemerkenswert hohes elektrochemisches Leistungsvermögen aufweist. Darüber hinaus führte die Beigabe des Katalysators zur Elektroden-Zusammensetzung zu einem Anstieg der spezifischen Entladekapazität und einem Absenken der Überspannung beim Entladen.These results show that the salt lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethane sulfonate has remarkably high electrochemical performance in all electrodes. In addition, the addition of the catalyst to the electrode composition led to an increase in the specific discharge capacity and a lowering of the overvoltage during discharge.
Beispiel 5Example 5
Zyklisierung einer Lithium-Sauerstoff-Zelle mit konstanter StromstärkeCyclization of a lithium-oxygen cell with constant current
Die Zyklisierung mit konstanter Stromstärke wurden auf einem BaSyTec GSM battery test system (BaSyTec GmbH) durchgeführt bei Atmosphärendruck und 20°C in einer oben beschriebenen für Gas-Diffusions-Elektroden modifizierten Swagelok®-Zelle durchgeführt. Sauerstoffgas (Westfalen AG, 5.5) diente als Sauerstoffquelle. Die Lithium-Sauerstoff-Zelle wurde bei einer Stromdichte von 10 mA/g, bezogen auf die Menge an Kohlenstoff-Aktivmaterial in der Elektrode, bis zu einem Potential von 2 V vs. Li/Li+ entladen. Als Gas-Diffusions-Elektrode wurde eine wie oben beschrieben hergestellte Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektrode verwendet. Als Elektrolyt wurde eine 1 M Lösung von Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat (LiFEES) in Tetraethylenglykol-Dimethylether (TEG-DME) verwendet.Cyclization with constant current strength were performed on a GSM BaSyTec battery test system (BaSyTec GmbH) at atmospheric pressure and 20 ° C in an above-described modified for gas diffusion electrodes Swagelok ® cell performed. Oxygen gas (Westfalen AG, 5.5) served as an oxygen source. The lithium-oxygen cell was exposed to a potential of 2 V at a current density of 10 mA / g, based on the amount of carbon-active material in the electrode. Discharge Li / Li + . As the gas diffusion electrode, a carbon gas diffusion electrode prepared as described above was used. The electrolyte used was a 1 M solution of lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate (LiFEES) in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME).
Die erhaltene Entlade-Kapazität sowie das Potenzialplateau der elektrochemischen Entlade-Reaktion zeigten gegenüber der Verwendung von Luft ein erwartetes besseres Verhalten. Somit zeigte das Salz Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethan-sulfonat auch bei Verwendung von reinem Sauerstoff in TEG-DME ein beachtenswertes elektrochemisches Leistungsvermögen.The resulting discharge capacity as well as the potential plateau of the electrochemical discharge reaction showed an expected better behavior than the use of air. Thus, the salt lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethane-sulfonate also showed a remarkable electrochemical performance even when using pure oxygen in TEG-DME.
Beispiel 6Example 6
RöntgendiffraktometrieX-ray diffraction
Die entladene Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektrode aus Beispiel 5 wurde mittels Röntgendiffraktometrie hinsichtlich ihrer Phasenzusammensetzung charakterisiert. Die Beugungs-Messungen wurden auf einem AXS Bruker D8 Advance Diffraktometer durchgeführt, der im θ-θ-Modus arbeitete und mit einer Kupfer-Antikathode (λCu = 1,54 Å), bichromatischen Kα1 und Kα2 und LynxEye 1-dimensionalen PSD Detektor bestückt war. Die Datenerfassung wurde im 2θ Grad-Bereich von 20° bis 43° und von 55° bis 62°, bei einem Zeit/Schritt-Verhältnis von 2 s und einer Inkrementänderung von 0,02°/Schritt durchgeführt.The discharged carbon gas diffusion electrode of Example 5 was characterized by X-ray diffractometry with respect to its phase composition. The diffraction measurements were performed on an AXS Bruker D8 Advance diffractometer operating in the θ-θ mode and equipped with a copper anti-cathode (λCu = 1.54 Å), bichromatic Kα1 and Kα2, and LynxEye 1-dimensional PSD detector , The data acquisition was carried out in the 2θ degree range from 20 ° to 43 ° and from 55 ° to 62 °, at a time / step ratio of 2 s and an increment change of 0.02 ° / step.
Für die Messung wurde die entladene Elektrode in einer Glove-Box unter Argon-Atmosphäre aus der Zelle ausgebaut, ohne weitere Aufbereitung direkt auf einen Probenhalter für Röntgendiffraktometrie (Silicium-Einkristall) aufgebracht und mittels Spezial-Klebeband (Scotch Magic Tape, 3 M) versiegelt. Die Proben wurden in einer Glove-Box unter Argon-Atmosphäre verarbeitet, damit das durch die Entladereaktion gebildete Li2O2 nicht zu LiOH hydrolysiert.For the measurement, the discharged electrode was removed from the cell in a glove box under an argon atmosphere, applied directly to a sample holder for X-ray diffraction (silicon single crystal) and sealed using special Scotch Magic Tape (3 M) , The samples were processed in a glove box under an argon atmosphere so that the Li 2 O 2 formed by the discharge reaction would not hydrolyze to LiOH.
Die
Die Signale der entladenen Elektrode bei 33,08° (100), 35,25° (101) und 58,91° (110) zeigen an, dass Li2O2 als Entlade-Produkt gebildet wurde. Das Signal bei 38,32° entspricht dem Signal des Aluminium-Drahtnetzes der Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektrode. Das Vorliegen von Li2O2 als gewünschtes Entlade-Produkt zeigt die Stabilität des Elektrolyt-Systems des Salzes LiFEES und des Lösungsmittel TEG-DME gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs auf.The discharged electrode signals at 33.08 ° (100), 35.25 ° (101) and 58.91 ° (110) indicate that Li 2 O 2 was formed as a discharge product. The signal at 38.32 ° corresponds to the signal of the aluminum wire mesh of the carbon-gas diffusion electrode. The presence of Li 2 O 2 as the desired discharge product demonstrates the stability of the electrolyte system of the salt LiFEES and the solvent TEG-DME towards reduced forms of oxygen.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat als Leitsalz in Lithium-Luft- und Lithium-Sauerstoff-Zellen verwendbar ist, und insbesondere in Tetraethylenglykol-Dimethylether (TEG-DME) als Lösungsmittel einen stabilen Elektrolyten zur Verfügung stellen kann, der sowohl stabil gegenüber reduzierten Formen des Sauerstoffs wie auch ein weites elektrochemisches Stabilitätsfenster aufweist und die Aluminiumauflösung nicht fördert.These results show that lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate is useful as a conductive salt in lithium-air and lithium-oxygen cells, and particularly in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME) as Solvent can provide a stable electrolyte, which has both stable to reduced forms of oxygen as well as a wide electrochemical stability window and does not promote the aluminum dissolution.
Beispiel 7Example 7
Die zeitliche Entwicklung der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Lithium Metall bzw. Gas-Diffusions-Elektrode wurde mit Hilfe elektrochemischer Impedanz-Spektroskopie (EIS) unter OCV-Bedingungen bei Leerlaufspannung, bei welcher kein Strom fließt, untersucht.The temporal evolution of the interface between electrolyte and lithium metal or gas diffusion electrode was investigated by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) under OCV conditions at open circuit voltage at which no current flows.
Für die Fertigung der Lithium-Luft-Zellen, symmetrischen Zellen mit Gas-Diffusion-Elektroden und symmetrischen Zellen mit Lithium-Metall wurden als Elektrolyte Lösungen von 1 M Lithiumhexafluorophosphat bzw. 1 M Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoro-ethan-sulfonat in Tetraethylenglycol-dimethylether (TEG-DME) eingesetzt. Die Wechselstrom-Impedanz-Messungen wurden im Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 10 mHz bei einer Spannungsamplitude von 5 mV auf einem Solartron Electrochemical Interface 1287/1260 (Solartron Analytical) durchgeführt. Die Wechselstrom-Impedanz-Messungen fanden bei 20°C und OCV-Potenzial statt.Solutions of 1 M lithium hexafluorophosphate or 1 M lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2 were used as electrolytes for the production of the lithium-air cells, symmetrical cells with gas diffusion electrodes and symmetrical cells with lithium metal Tetrafluoro-ethane sulfonate in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEG-DME) used. The AC impedance measurements were performed in the frequency range between 1 MHz and 10 MHz at a voltage amplitude of 5 mV on a Solartron Electrochemical Interface 1287/1260 (Solartron Analytical). The AC impedance measurements took place at 20 ° C and OCV potential.
Die Lithium-Luft-Zellen wurden mit metallischem Lithium als Gegenelektrode und, getrennt durch den Elektrolyten, der Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektrode als Arbeitselektrode (
Betrachtet man die Folge wiederholter Messungen des Impedanz-Verhaltens der Lithium-Luft-Zellen als Funktion der Zeit, kann die Verdickung der Grenzfläche zwischen Elektrode/Elektrolyt untersucht werden. Die
Die
Die Untersuchung der Grenzfläche über den zeitlichen Verlauf wurde ebenfalls in Bezug auf dem Gesamtwiderstand einer symmetrischen Zelle, die mit Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektroden gefertigt wurden, durchgeführt. Die
EIS-Untersuchungen der Grenzfläche über den zeitlichen Verlauf mit Bezug auf den Gesamtwiderstand einer symmetrischen Zelle, die mit Lithium-Metall-Elektroden gefertigt wurde, sind in
Die Erhöhung der Amplitude fiel für die Verwendung von 1 M LiPF6 als Elektrolyt höher aus, als für die Verwendung von 1 M LiFEES in TEG-DME. Dies zeigt wieder, dass die Zelle enthaltend den auf LiFEES basierenden Elektrolyten verglichen mit der Zelle enthaltend einen LiPF6-basierten Elektrolyten einen deutlich geringeren Widerstand aufwies. Somit zeigt auch bei Verwendung von Lithium-Metall-Elektroden die erfindungsgemäße Lithium-Luft-Zelle umfassend Lithium-2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluor-ethansulfonat als Leitsalz ein besseres Betriebsverhalten als die Lithium-Luft-Zelle mit LiPF6 als Leitsalz.The increase in amplitude was higher for the use of 1 M LiPF 6 as the electrolyte than for the use of 1 M LiFEES in TEG-DME. This again shows that the cell containing the LiFEES-based electrolyte had a significantly lower resistance compared to the cell containing a LiPF 6 -based electrolyte. Thus, even with the use of lithium-metal electrodes, the lithium-air cell according to the invention comprising lithium 2-pentafluoroethoxy-1,1,2,2-tetrafluoroethanesulfonate as conductive salt shows a better performance than the lithium-air cell with LiPF 6 as conductive salt.
Vergleicht man die Nyquist-Diagramme der symmetrischen Zellen, die mit Lithium-Metall und 1 M LiPF6 bzw. 1 M LiFEES in TEG-DME als Elektrolyt gefertigt wurden, können qualitativ Annahmen über die Schichtdicke gemacht werden. In diesem Fall wies die stärker ausgeprägte Erhöhung des Widerstands bei 1 M LiPF6 auf eine dickere Passivierungsschicht hin als bei Elektrolyten mit 1 M LiFEES in TEG-DME, was sich nachteilig auf das elektrochemische Verhalten der Zelle auswirkt.Comparing the Nyquist plots of the symmetrical cells made with lithium metal and 1 M LiPF 6 or 1 M LiFEES in TEG-DME as the electrolyte, qualitative assumptions can be made about the layer thickness. In this case, the more pronounced increase in resistance for 1 M LiPF 6 indicated a thicker passivation layer than for electrolytes with 1 M LiFEES in TEG-DME, which adversely affects the electrochemical behavior of the cell.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Lithium-Luft-Zellen, die mit Lithium-Metall als Gegenelektrode und Kohlenstoff-Gas-Diffusions-Elektrode gefertigt wurden, bei Verwendung von Elektrolyten mit 1 M LiFEES in TEG-DME einen geringeren Gesamtwiderstand aufwiesen als Lithium-Luft-Zellen mit 1 M LiPF6.These results show that lithium-air cells fabricated with lithium metal as counter electrode and carbon gas diffusion electrode had lower total resistance when using electrolytes with 1 M LiFEES in TEG-DME than lithium air. Cells with 1 M LiPF 6 .
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Methode von Read et al., The Journal of Electrochemical Society, Vol. 149, Seite A1190 und Vol. 150, Seite A1351 [0048] Method of Read et al., The Journal of Electrochemical Society, Vol. 149, page A1190 and Vol. 150, page A1351 [0048]
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